水处理

膜蒸馏—电去离子组合工艺处理高盐废水

2019-08-21 16:23:07 《中国给水排水》 作者:李福勤 等

摘要:采用膜蒸馏—电去离子组合工艺处理高盐废水,考察了真空膜蒸馏主要参数对产水水质的影响,以及电去离子过程的处理效果。结果表明:膜蒸馏热侧料液温度和冷侧真空度对产水水质的影响较小,随着浓缩倍数的增加,电导率、TOC、硬度上升不大,在浓缩15 倍时产水电导率为3. 6 μS /cm、硬度为0. 074 mg /L、TOC 为0. 32 mg /L,满足EDI 对进水水质的要求;自制微型EDI 装置处理膜蒸馏产水,在电压为15 V、淡水流量为9. 5 L /h、浓水流量为2. 3 L /h 条件下,产水水质稳定,电导率为0. 078 ~ 0. 081 μS /cm,完全满足火力电厂锅炉补给水的要求。膜蒸馏—电去离子组合工艺,是从高盐废水到高纯水的全新处理工艺,具有原水适用性强、产水稳定、水质优良的特点,解决好流量匹配以及膜污染等问题则应用前景广阔。

关键词:膜蒸馏;电去离子;反渗透;高盐废水

反渗透作为除盐的主要工艺,得到十分广泛的应用,然而,反渗透工艺的实际产水率一般只有75%,约有25%的浓水被排放到环境中[1,2],这不仅加重了生态环境的高盐度污染,而且还浪费了大量宝贵的水资源。膜蒸馏是近年来发展起来的一种新型膜分离技术,与反渗透工艺相比具有显著的优点[3,4]:膜蒸馏的过程几乎在常压下进行,设备简单,操作方便;膜蒸馏法可以处理极高浓度的无机盐水溶液,理论上通过膜蒸馏除盐的产水率可以达到100%,而且获得的水十分纯净,这是现有几种工业除盐技术难以达到的。

电去离子( EDI) 作为一种可以连续工作的深度除盐手段,无需化学再生药剂,产水水质好,水回收率高,操作简单,运行稳定,而且运行成本低[5]。然而,EDI 对进水水质要求非常严格,预处理工艺复杂。为了防止污染树脂和膜,以及膜面结垢,保护膜性能,原水进入EDI 系统之前应先经过滤、吸附、除盐、软化等预处理,目前常用的是两级反渗透作为EDI 的预处理工序[6]。

笔者以反渗透除盐生产过程中排放的高盐废水为原水,采用膜蒸馏—电去离子组合工艺,充分发挥膜蒸馏和电去离子的技术优势,以膜蒸馏为预除盐工艺,一方面提高水资源利用率,保护生态环境,另一方面探讨目前高纯水生产过程中二级反渗透的替代工艺。

1 试验部分

1. 1 原水水质

试验用高盐废水取自某热电厂反渗透浓水排放口,水质参数如下:总硬度( 以CaCO3计) 为1 634mg /L、电导率为3 850 μS /cm、TOC 为12. 5 mg /L、pH 值为8. 1。

1. 2 试验装置

试验采用真空膜蒸馏方式,自制PVDF 中空纤维膜组件,单膜内径为0. 8 mm、有效长度为23 cm、平均孔径为0. 18 μm、孔隙率为85%、有效膜面积约为0. 057 m2。膜组件以及热侧进出水管采用保温海绵包裹。配套设备:SHZ - Ⅲ型循环水真空泵、BT00 - 100M 蠕动泵、DK - S24 型电热恒温水浴锅。

自制EDI 装置,淡水室隔板采用6 mm 厚聚氯乙烯硬塑料板加工而成,外部长× 宽= 295 mm × 50mm,内部长× 宽= 225 mm × 20 mm;浓水室隔板采用2 mm 厚硅胶板制作;阴、阳电极为不锈钢材料;离子交换树脂采用001 × 4 阳树脂和201 × 4 阴树脂;淡水室和浓水室均填充混合离子交换树脂,阴、阳树脂比例为2 ∶ 1;离子交换树脂采用3361 - BW阳膜和3362 - BW 阴膜;模块按一级三段组装,有效流程长度为660 mm;电源采用JWY - 30G 型直流稳压电源。

试验流程如图1 所示。

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1. 3 材料和方法

试验过程中,首先将高盐废水加热到指定温度,然后打开热侧循环泵和冷侧真空泵,调节流量到预定值,待系统稳定后,收集产水。膜蒸馏产水收集到一定量时,开启增压泵,将蒸馏水打入EDI 装置进行深度除盐。

膜蒸馏过程中检测产水总硬度、电导率、TOC、pH 值等水质参数以及真空度、膜通量、温度等参数,并及时排放膜组件底部集水;EDI 过程中主要检测产水电导率以及电压、电流、流量等参数。

主要检测仪器有HSJ - 3F 型实验室pH 计、DDS - 307A 型电导率仪、TOC 分析仪、原子吸收分光光度计等。

2 结果与讨论

2. 1 真空膜蒸馏主要参数对产水水质的影响

鉴于电去离子对进水水质的较高要求,本文探讨膜蒸馏主要参数对产水水质的影响。

保持流量为14. 5 L /h、冷侧真空度为0. 09MPa,考察热侧料液温度对出水水质的影响;在流量为14. 5 L /h、热侧温度为75 ℃条件下,考察冷侧真空度对膜蒸馏性能的影响。结果表明,热侧料液温度和冷侧真空度对产水水质的影响较小,产水电导率稳定在2. 4 ~ 3. 3 μS /cm、硬度为0. 027 ~ 0. 052mg /L、TOC 为0. 09 ~ 0. 24 mg /L、pH 值为6. 57 ~6. 89。

在冷侧真空度为0. 09 MPa、原水温度为75 ℃、流量为14. 5 L /h 的条件下,考察浓缩过程产水水质的变化情况,如图2 所示。可知,随着浓缩倍数的增加,产水pH 值基本稳定,电导率、TOC、硬度上升不大,在浓缩15 倍时产水电导率为3. 6 μS /cm、硬度为0. 074 mg /L、TOC 为0. 32 mg /L,满足EDI 对进水水质的要求( 电导率< 30 μS /cm、硬度< 1 mg /L、TOC < 1 mg /L) 。

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2. 2 电去离子过程

膜蒸馏连续运行收集产水,由于蒸馏水在收集瓶中停留时间相对较长,电导率较新鲜水有所上升,进入EDI 电导率的平均值为5. 8 μS /cm,其他水质参数变化不大,硬度为0. 045 mg /L、TOC 为0. 16mg /L、pH 值为6. 72。在淡水流量为9. 5 L /h、浓水流量为2. 3 L /h 的条件下,EDI 模块电压—电流曲线及电压对产水水质的影响见图3。可知,电流随电压的升高增幅逐渐加大,这说明随着电压的增大,迁移出淡化室的离子数增多,同时,离子交换界面水解离增强,水解离产生的H + 和OH - 一部分负载电流,另一部分再生淡化室中的离子交换树脂,使更多的离子解离下来负载电流,实现连续电去离子过程[7];随着电压的升高,EDI 产水电导率逐渐减小,在15 V 时达到0. 079 μS /cm,之后在一定范围内稳定,继续增大电压则产水电导率又有所上升,这主要是由于过高的电压使得同名离子迁移数增大,说明该模块最佳操作电压为15 V,此时电流密度为31. 8mA/cm2。

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在操作电压为15 V、浓水流量稳定在2. 3 ~ 2. 5L /h 条件下,淡水流量与产水电导率的关系曲线如图4 所示。可知,随着淡水流量的增大,膜堆产水电导率上升,这是由于在一定操作电压下,当淡水流量增大时,单位时间内进入淡化室的离子相应增加,水的停留时间减少,脱盐效率降低。因此,特定的EDI模块有满足产水质量要求的淡水流量范围。

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在电压为15 V、淡水流量为9. 5 L /h、浓水流量为2. 3 L /h 的条件下,运行时间与产水电导率的关系见图5。可以看出,以膜蒸馏产水为原水,EDI 产水水质稳定,电导率为0. 078 ~ 0. 081 μS /cm,完全满足《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量标准》( GB 12145—2008) 中对锅炉补给水电导率的要求( ≤0. 2 μS /cm) 。

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2. 3 主要问题

① 技术成熟问题。膜蒸馏和电去离子是两种完全不同的膜分离过程,就目前技术水平,电去离子技术成熟,已广泛应用,具有产水效率高的特点;而膜蒸馏还处于研究阶段,膜通量低,效率也较低,离工程应用还有一定的差距,因此,还需进一步完善膜蒸馏技术,使其尽早实现工程应用。

② 流量匹配问题。电去离子产水效率高,膜蒸馏效率较低,在两者的耦合过程中,解决好水量匹配和运行方式的协调问题是关键。在试验中,外观长× 宽× 高= 295 mm × 50 mm × 50 mm 的EDI 模块产水量可达10 L /h( 总进水量为13 L /h,其中浓水和极水为3 L /h) ,与其配套的膜蒸馏装置则要大得多,按试验平均膜通量为18. 5 L /( m2·h) ,需要膜面积为0. 7 m2 的组件,与其配套的加热和冷凝系统也较大。

③ 膜污染问题。在组合工艺中,由于膜蒸馏直接接触高盐废水,膜污染主要发生在膜蒸馏过程中,其中膜内表面的污染物主要是钙垢[2,8],因此采取预软化和降低原水pH 值等方法以减轻膜的化学污染。当膜通量减少到一定程度,可以通过化学清洗恢复膜通量,在工业应用中,疏水膜的干燥问题是膜蒸馏技术面临的最大难题[9]。

3 结论

① 在试验条件下,膜蒸馏热侧料液温度和冷侧真空度对产水水质的影响较小,随着浓缩倍数的增加,电导率、TOC、硬度上升不大,在浓缩15 倍时产水电导率为3. 6 μS /cm、硬度为0. 074 mg /L、TOC为0. 32 mg /L,满足EDI 对进水水质的要求,可以替代目前高纯水生产过程中的二级反渗透。

② 自制微型EDI 装置处理膜蒸馏产水,电压为15 V、淡水流量为9. 5 L /h、浓水流量为2. 3 L /h的条件下,产水水质稳定,电导率为0. 078 ~ 0. 081μS /cm,完全满足火力电厂锅炉补给水的要求。

③ 膜蒸馏—电去离子组合工艺,是从高盐度废水到高纯水的全新处理工艺,具有原水适用性强、产水稳定、水质优良的特点,解决好流量匹配以及膜污染等问题则应用前景广阔。

本文转自“乾来环保”

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